У самых истоков будущее генетики оказалось под угрозой из-за приступов паники одного человека. Блестящий молодой студент Иоганн Мендель хотел стать учителем в школе около города Хейнцендорфа в Силезии (сейчас Хинчице в Чехии), где он вырос. Родные верили в то, что Иоганн станет ученым. Сестра Иоганна Терезия даже отдала ему свое приданое, чтобы он заплатил за учебу. Но, несмотря на поддержку и ободрение родных и выдающиеся способности, у Менделя случился приступ паники во время устных выпускных экзаменов, помешавший ему получить квалификацию учителя. Шесть лет спустя Иоганн потерпел неудачу и во время второй попытки сдать экзамен. Униженный, он постригся в монахи аббатства Святого Фомы в соседнем городе Брюнне (ныне Брно), где взял имя Грегор. К удивлению Менделя, монастырь оказался идеальным местом для научных исследований благодаря минимуму отвлекающих факторов, доступу к обширной библиотеке и поддержке настоятеля Кирилла Наппа. Он признавал, что таланты молодого монаха в области науки явно превышали его способности священника. Напп настолько восхитился страстью и дисциплиной Грегора, что велел построить новую теплицу для того, чтобы тот продолжал свои исследования. И именно здесь, в садах и оранжерее монастыря Святого Фомы, Мендель провел одну из самых известных серий опытов в истории науки. Он стал выращивать горох[23].
Мендель хотел накопить экспериментальные данные для решения одного из наиболее слабо изученных научных вопросов. Почему дети похожи на своих родителей? Было совершенно очевидно, что это так, но почему – оставалось загадкой. Мендель и ранее пытался найти решение, скрещивая мышей. Но епископ счел неуместным, чтобы священник, давший обет безбрачия, изучал спаривающихся мышей. Поэтому Грегор стал работать с растениями. Он экспериментировал с разными видами, но именно опыты с горохом Pisum sativum, продолжавшиеся целых восемь лет, принесли ему известность. В течение этого периода Мендель переносил пыльцу с одной из разновидностей гороха на другую (примерно 29 тысяч раз), тем самым скрещивая эти разновидности между собой. Затем ученый записывал информацию о потомстве. Растения отличались друг от друга по семи разным признакам: форме семян (морщинистая или округлая), расположению цветов (на кончике или вдоль стебля), цвету семян (зеленый или желтый), семенному покрову (белый или серый), форме созревших бобов (округлая или узкая), цвету несозревших бобов (зеленый или желтый) и высоте (высокие или низкие). Мендель хотел увидеть, что произойдет, если скрестить, например, сорта с зеленым бобом и с желтым бобом. Можно было предположить, что у получившегося растения боб окажется смешанного цвета. В данном случае – фисташкового. Но подобного результата Грегор не получил. Когда он скрестил зеленый горошек с желтым, второе поколение оказалось желтым. Затем Мендель скрестил два растения второго поколения друг с другом: один желтый горошек с другим аналогичным. Он внимательно вел подсчеты и записи и обнаружил, что среди растений следующего поколения были как желтые, так и зеленые экземпляры. Причем на один зеленый приходилось три желтых. Такое же соотношение получилось для всех семи характеристик, которые Грегор изучал. Это наблюдение навсегда изменило понимание учеными механизма наследования.
Эксперименты Менделя показали, что каждое растение наследовало по одному признаку от каждого из своих родителей. Кроме того, эти признаки имели одну из двух характеристик: они были либо доминантными, либо рецессивными. Последние (зеленый цвет бобов) проявлялись в следующем поколении, если потомство наследовало одни и те же рецессивные признаки от обоих родителей. В противном случае в следующем поколении проявлялись только доминантные признаки (желтый цвет бобов). Мендель обозначал такие характеристики большой буквой А, а рецессивные признаки – маленькой а. В своих подсчетах ученый выявил четыре равновероятные комбинации у потомства: AA, Aа, аA и аа. Эти обозначения используются по сей день, а признаки, к которым они отсылают, теперь известны как гены. Гены существуют в разных формах (связанных, например, с желтым или зеленым цветом боба), которые называются аллелями.
Именно в саду монастыря Святого Фомы Мендель обнаружил независимую природу наследования. Гены и сопряженные с ними черты никогда не смешиваются – кровь наших родителей не сливается воедино. Напротив, гены отделяются таким образом, что мы наследуем одну копию гена от каждого родителя. Гены всегда передаются нетронутыми из поколения в поколение – подобно жемчужинам на нити. И каждый родитель передает свое «ожерелье» детям. Особая комбинация этих жемчужин, которую мы получаем от своих отцов и матерей (то есть аллели, такие как Aa или aa), называется генотипом. Хотя и скрытый от наших глаз, он определяет виды белков, создаваемых в организме. Внешние характеристики организма являются результатом работы белков, наличие которых обусловлено генотипом. Совокупность этих признаков именуется фенотипом (например, зеленый или желтый цвет боба гороха). Это открытие положило начало современной генетике.
Мендель понял, что стоит на пороге большого открытия. Он опубликовал свои выводы в 1866 году в статье на 44 страницах журнала Брюннского общества естествоиспытателей, который можно было найти в лучших библиотеках того времени. Кроме того, он отправил 40 экземпляров статьи некоторым ведущим ученым со всего мира. Ответом было почти полное молчание. Кто-то прочитал его статью, но никто, казалось, не оценил в полной мере открытие. В ряду остальных ученых Мендель отправил экземпляр текста Чарлзу Дарвину. И тот получил статью в самый подходящий момент. Дарвину бросил вызов шотландский инженер Дженкин Флеминг. Он утверждал, что эволюция невозможна, так как разные признаки родителей смешиваются у их детей. Например, газель, которая может бежать немного быстрее, чем сородичи, с большей вероятностью выживет и передаст свои черты потомству. Но следующее поколение унаследует скорость передвижения не только этого животного, но и второго родителя, смешав эти признаки. И так будет происходить до тех пор, пока преимущество не пропадет вовсе. Модель независимого наследования Менделя показала, что признаки не смешиваются друг с другом в последующих поколениях. Это могло послужить прямым ответом на критику Дженкина. Увы, похоже, Дарвин так и не прочитал статью, которую послал ему Грегор.
Мендель прожил еще 18 лет после публикации своей статьи. Он продолжал экспериментировать с другими видами растений и пчелами, но не обнаружил таких же отчетливых доказательств независимого наследования, как в случае с горохом. Позднее, когда ученый стал настоятелем монастыря Святого Фомы, он был вынужден полностью отказаться от своих исследований. До самой смерти Менделя его достижения оставались практически неизвестными науке. Только через 16 лет после того, как Грегор умер, его работу заметили, а самого исследователя окрестили отцом генетики. Посмертная слава Менделя и его причисление к пантеону великих ученых сделали историю жизни этого человека лучом надежды для всех, кто считает, что их труды на ниве науки недооцениваются.
Наши гены хранятся в 23 парах хромосом, которые находятся внутри ядер почти всех клеток тела. При образовании сперматозоидов и яйцеклеток в процессе мейоза их количество уменьшается до 23 одиночных хромосом в каждом сперматозоиде или яйцеклетке. Каждая из одиночных хромосом содержит рекомбинированные и переставленные уникальным образом гены, которые содержались в соответствующей исходной хромосомной паре. Подобно игрокам в покер, сперматозоиды и яйцеклетки получают уникальный набор генов из колоды хромосом в вашем теле. Вот почему братья и сестры (за исключением однояйцевых близнецов) никогда не дублируют друг друга. В среднем мы наследуем приблизительно половину генома от каждого родителя. Но эти комбинации различны для каждого брата и сестры, поэтому сиблинги делят около половины уникальных генетических маркеров друг с другом. Одна из 23 пар хромосом определяет пол. Как правило, женщины наследуют Х-хромосому от каждого родителя, поэтому у них есть пара Х-хромосом. Мужчины, напротив, получают Х-хромосому от матери и Y-хромосому от отца.
Каждая из наших хромосом представляет собой длинную непрерывную цепочку дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Она состоит из двух длинных полимерных молекул, закрученных одна вокруг другой в виде спирали. Эти две нитевидные молекулы, связанные в двойную спираль, состоят из строительных блоков – нуклеотидов. Это органические молекулы, в состав каждой из которых входит одно из четырех разных азотистых оснований (гуанин, аденин, тимин и цитозин), обозначающихся буквами G, A, T и C. У каждого нуклеотида есть пара – «супруг» из другой нити ДНК. То есть G всегда соединяется с C, а A – с T. В каждой человеческой клетке насчитывается около 3 млрд моногамных пар нуклеотидов. Подобно буквам алфавита, из которых можно составить почти бесконечное множество слов, из этих четырех нуклеотидов можно создать неизмеримое количество возможных комбинаций длиной, как правило, в несколько тысяч нуклеотидов. Они-то и образуют наши гены.
Работа генов заключается в экспрессии, или синтезе, белков. Когда ген экспрессируется, двойная спираль ДНК распускается, подобно тому как расстегивается молния. Синтезируется ее зеркальное отражение в виде цепи матричной РНК – аналогичной по строению длинной полимерной молекулы, которая связана с цепочкой нуклеотидов ДНК. Затем матричная РНК отделяется от молекулы ДНК и переходит к рибосоме, которая, по сути, является фабрикой по производству белка. Там на матрице РНК синтезируется уникальный белок. Удивительно, но основой всего многообразия белков человеческого организма – от нейрохимических веществ в мозге до эмали зубов – являются четыре нуклеотида, составляющих нашу ДНК. Именно определенная комбинация «букв» определяет тип белка. Таким образом, ДНК выполняет функцию хранения информации и работает как программный код, содержащий алгоритмы создания белков.
В организме человека приблизительно 21 тысяча генов, кодирующих белки. Они выстроены на всем протяжении хромосом. У других млекопитающих количество генов примерно такое же. А у многих растений их значительно больше. Например, у помидора более 30 тысяч[24]. Может показаться, что число генов человека не так уж велико. Тем более что у нас много общих генов с другими видами (98 % с шимпанзе, 92 % с мышами, и даже у примитивных дрожжей примерно четверть генов совпадает с нашими)[25]. До того как в 2003 году объявили результаты проекта «Геном человека», генетики предполагали, что фактическое количество человеческих генов гораздо больше. Мы обходимся столь небольшим их числом потому, что каждый ген удивительно многофункционален, а процесс экспрессии белков необычайно сложен. Во-первых, с одного гена может считываться несколько различных, но родственных белков, поэтому общее количество белков в наших телах во много раз превышает число генов. Более того, каждый из наших фенотипических признаков, таких как форма носа или толщина волос, как правило, является результатом взаимодействия разных генов. Для системы характерна чрезвычайная избыточность, и любой отдельный ген обычно оказывает лишь небольшое влияние на связанный с ним признак. Кроме того, наши гены экспрессируются по-разному с течением времени. Молекулярные сигналы, зачастую в ответ на специфические изменения окружающей среды, точно определяют, когда и где будет экспрессирован конкретный ген. В среднем каждый белок существует около 80 дней – до тех пор, пока не экспрессируется новый[26].
Копирование информации из ДНК в РНК, а затем в белки является чрезвычайно точным. Есть различные механизмы, гарантирующие его выполнение практически без ошибок, – представьте себе лучшего в мире секретаря за работой. Но, учитывая количество копий, случайные погрешности все же появляются. Если эти ошибки достаточно редки и охватывают лишь небольшой процент популяции (менее 1 %), их считают мутациями. Когда погрешности становятся более распространенными в сообществе (более 1 %), они называются полиморфизмами. Одна общая ошибка сродни опечатке, как, например, если случайно набрать C вместо G. Эти погрешности включают только один нуклеотид. Когда они относительно распространены в популяции, их называют однонуклеотидными полиморфизмами (ОНП). Иногда возникают структурные ошибки, подобные тем, что вы можете сделать при использовании команд вырезания, копирования и вставки в текстовом редакторе. Последовательности в ДНК удаляются, или помещаются туда, где их не должно быть, или даже повторяются снова и снова, как в строчке CAGCAGCAGCAG.
Именно благодаря этим случайным ошибкам копирования любой человек генетически уникален. Каждый новорожденный имеет около 60 новых мутаций в ДНК[27]. Подавляющее большинство их не оказывает заметного влияния на производимые белки. Но некоторые мутации воздействуют на природу белка и – в конечном счете – сказываются на фенотипе ребенка. Очень редко мутировавший ген становится улучшенной версией исходного. Но если это случается, то благодаря естественному отбору он может шире распространиться в последующих поколениях. Например, несколько тысяч лет назад некоторые люди рождались с нуклеотидом A в гене SLC24A5, в rs1426654, который был результатом неудачного копирования более распространенного G[28]. А-аллель способствует появлению кожи более светлого оттенка. Люди с А-аллелью, жившие в северных широтах, могли поглощать больше солнечного света, что позволяло им синтезировать больше витамина D. Это давало преимущества в тех местах, где прямой солнечный свет редкость, поэтому потомство индивидов с этим полиморфизмом выживало с большей вероятностью. G-аллель лучше подходила для широт, где избыток солнечного света может привести к проблемам со здоровьем. Поэтому там G-аллель стала более распространенной.
У каждой мутации своя цена. Если она слишком высока, мутации становятся менее распространенными в будущих поколениях, поскольку люди с такими генетическими ошибками реже выживают и дают потомство.
Перевод ДНК в белки дополнительно осложняется эпигенетическими механизмами. Эпигенетика изучает молекулярные механизмы, в результате которых белки могут быть синтезированы в обход «инструкций», содержащихся в последовательности ДНК. Примечательно, что спусковым механизмом для этих молекулярных процессов могут стать опыт и окружающая среда. Наиболее хорошо изучен такой эпигенетический механизм, как метилирование ДНК. Метильная группа (молекула, состоящая из одного атома углерода и трех атомов водорода) связывается непосредственно с нуклеотидами самой ДНК и контролирует, как часто будет происходить экспрессия того или иного гена. Невероятно, но эти метильные группы могут передаваться потомству. Они могут быть скопированы в процессе мейоза и унаследованы следующим поколением. Следовательно, жизненный опыт влияет не только на нас, но и на наших детей.
Неожиданный пример этого недавно обнаружили в эксперименте с мышами. Исследователи научили группу этих животных бояться запаха ацетофенона, похожего на аромат цветущей вишни. Мыши с появлением запаха получали небольшой разряд тока[29]. Вскоре они стали испытывать страх, едва учуяв ацетофенон. Эти мыши дали потомство. И их дети проявляли ту же самую реакцию на запах цветущей вишни. Следующее за ними поколение продолжало демонстрировать этот страх. При вскрытии обнаружилось, что рецепторы, отвечающие за реакцию на этот запах, в мозге подопытных мышей увеличены. Более того, при исследовании ДНК спермы этих мышей выявились различные паттерны метилирования ДНК, отсутствующие у других. Чтобы исключить возможность того, что мыши переняли страх у своих родителей, исследователи взяли сперму у самцов, которых научили бояться запаха цветущей вишни, и искусственно осеменили самок из другой лаборатории. В результате вскрытия мозга их потомков ученые обнаружили такие же увеличенные рецепторы, отвечающие за восприятие этого запаха. Специфический страх, приобретенный в одном поколении, передался потомству, но не через саму последовательность ДНК, а через паттерны метилирования, которые влияли на экспрессию гена. Другими словами, опыт определенной группы мышей привел к наследуемым изменениям. Нужно узнать гораздо больше об эпигенетическом наследовании, прежде чем мы сможем сделать обоснованные выводы, но эти данные сами по себе очень интересны.
Применительно к нашей жизни имеют особое значение именно фенотипы, которые характеризуют наши тела и поведение. Быстрые газели с большей вероятностью могут убежать от хищников, чем медленные. Высокий горошек способен улавливать больше солнечного света, чем низкорослый. Дети с синдромом дефицита внимания чаще стараются привлечь к себе внимание учителя в классе. Генотипы формируют все это. Но определить, как происходит «перевод» генотипов в фенотипы, не так просто.
Отец поведенческой генетики сэр Фрэнсис Гальтон столкнулся с этой проблемой в 1869 году. Тогда им овладела идея, что гениальность затрагивает всех членов семьи. Неудивительно, что у Гальтона возникло это прозрение. Возможно, это произошло во время рождественского ужина, на котором собралась вся семья ученого, включая его гениального троюродного брата Чарлза Дарвина и их выдающегося дедушку Эразма Дарвина. Возможно, концентрация интеллектуалов среди Дарвиных-Гальтонов была такой высокой из-за того, что дедушка Эразм обеспечил детям и внукам прекрасную образовательную среду, способствовавшую развитию их способностей. Но Гальтон был убежден в другом. А именно в том, что в основе гениальности лежит некая биологическая сущность. У ученого возникла блестящая идея доказать это на примере близнецов. Гальтон понимал, что существует два разных типа близнецов. Одни похожи друг на друга не больше, чем обычные братья и сестры. Другие практически неразличимы «из-за двух ядрышек в одной яйцеклетке». Он отправил письма 35 парам однояйцевых близнецов и 20 парам разнояйцевых близнецов, чтобы найти свидетельства каких-либо общих черт в их поведении. Выяснилось, что у разнояйцевых близнецов между собой не больше сходства, чем у обычных братьев и сестер, близких по возрасту. Со второй группой опрашиваемых результат оказался полностью противоположным. Сходство многих пар однояйцевых близнецов ошеломляло. У одних одновременно заболел один и тот же зуб, который обоим пришлось вырвать. Другие в 20 лет столкнулись с одной и той же необычной проблемой – не могли быстро спускаться по лестнице. Еще разные пары близнецов рассказали о том, что имели похожие мечты в одно и то же время, покупали друг другу одинаковые подарки и устраивались на аналогичные должности. Степень сходства однояйцевых близнецов была поразительной. И это говорило о невероятно сильном влиянии генов. Гальтон утверждал: «Опасаюсь лишь, что мои открытия, кажется, доказывают слишком многое и могут быть поставлены под сомнение, так как противоречат утверждению о необходимости воспитания»[30].
Интересные результаты, полученные Гальтоном, продемонстрировали, что знание степени биологического родства между людьми позволяет определить, в какой мере тот или иной признак является наследуемым. Иными словами, гены играют важную роль в объяснении того, почему один индивид отличается от другого. Открытия Гальтона привели к появлению поведенческой генетики. Двумя наиболее распространенными методами изучения наследуемости признака являются сравнение однояйцевых и разнояйцевых близнецов и сопоставление усыновленных и биологических детей. У однояйцевых близнецов 100 % генетических вариаций идентичны, тогда как у разнояйцевых – только 50 %. Поэтому, когда мы видим, что первые больше похожи друг на друга по какому-то признаку, чем вторые, это можно считать доказательством наследуемости данной черты. Аналогичным образом, если дети больше похожи на своих биологических отца и мать (50 %-ное совпадение генов) по определенному признаку, чем на приемных родителей (генетическое сходство стремится к 0 %), то мы опять же убеждаемся в наследуемости этой характеристики.
Что именно означает выражение «признак наследуется»? Нельзя сказать, что это интуитивно понятная концепция, поэтому давайте разберем ее немного подробнее. Рост – это наследуемая черта. Исследования с близнецами и усыновленными детьми показали, что вероятность наследуемости роста достигает 80–90 %[31]. Так что же имеется в виду? Вопреки распространенному мнению, речь идет не о шансах передачи признака напрямую от родителей. Таким образом, это не означает, что 80–90 % вашего роста вы унаследовали у родителей, в то время как оставшиеся 10–20 % – результат вашего опыта. Вернее будет сказать, что наследуемость относится к тому, какая доля изменчивости признака в данной выборке обусловлена генетикой. Например, наследуемость роста с вероятностью 80 % означает, что каждый участник исследования в рамках определенной группы, который обладает ростом выше среднего, получил такой признак на 80 % из-за генетических причин. Остальные 20 % роста обусловлены жизненным опытом (будь то перинатальное или постнатальное развитие). Важно отметить, что оценки наследуемости всегда относятся к определенной выборке участников исследования и ничего не говорят о людях, живущих в других условиях. О попытках сравнения одного признака у представителей разных групп и последствиях этого мы поговорим позднее.
Итак, какие качества наследуются? Учитывая информацию о росте, вы, вероятно, не удивитесь тому, что наследуются и другие физические показатели, такие как цвет глаз, масса тела или скорость обмена веществ. А как насчет психологических качеств? Многие из них тоже наследуются. Гены вносят значительный вклад в такие личностные черты, как уровень интеллекта, характер, самооценка и вероятность развития шизофрении. На самом деле, наше сознание даже больше зависит от генов. Есть доказательства наследуемости того, верите ли вы в Бога, придерживаетесь ли расистских взглядов и любите ли джаз. Подтверждено влияние генов и на то, сколько времени вы смотрите телевизор, поддерживаете ли эвтаназию, были ли хулиганом в детстве, страдаете ли патологическим накопительством и тратите ли больше на шоколад, чем на батарейки. Равно как и на то, насколько вы счастливы и любите ли научно-фантастические книги[32]. Есть даже доказательства того, что вероятность быть ограбленным передается по наследству![33] Кажется невозможным, чтобы гены, притаившиеся в наших клетках, могли каким-то образом заставить нас стоять в одиночестве на темной улице, тщетно крича о помощи, когда прикрытый капюшоном незнакомец убегает с нашим кошельком. Но доказательства наследуемости подобных моделей поведения весьма убедительны, каким бы противоречивым это ни казалось[34].
Есть масса доказательств того, что психолог Эрик Туркхеймер назвал «первым законом генетики поведения». Он гласит: все поведенческие признаки людей наследуются[35]. Иными словами, в поведении однояйцевых близнецов всегда будет больше сходства, чем в действиях разнояйцевых двойняшек. Этот «закон» признан несколько гиперболизированным. Например, конкретная религия, которую вы исповедуете (баптизм, дзен-буддизм, ислам), не наследуется в отличие от силы ваших религиозных убеждений[36]. Скорее, закон подразумевает, что подтверждения наследуемости моделей поведения невероятно обширны. Поэтому мы по умолчанию предполагаем, что эти паттерны передаются потомкам – пока не будет доказано обратное. Как ни удивительно, почти все типы поведения действительно связаны с генами, с которыми мы рождаемся[37].
Исследования близнецов и приемных детей предоставляют только общие доказательства того, что гены способствуют фенотипической вариативности. Иными словами, подтверждают, что, например, некоторый разброс в росте частично обусловлен нашими генами. На протяжении почти столетия с момента возникновения поведенческой генетики это объяснение оставалось единственным возможным. Но последние технологические достижения позволили нам идентифицировать конкретные гены, связанные с разными чертами. Есть множество способов, с помощью которых сейчас можно определить ассоциации генов (например, анализ групп сцепления). Поговорим о двух наиболее часто используемых подходах. Во-первых, исследователи могут предполагать влияние конкретного гена и пытаться выяснить, распространены ли варианты данного кандидатного гена в большей степени среди людей с определенным состоянием, таким как болезнь Крона. Конкретные гены выбираются на основе их предполагаемой связи с исследуемым состоянием. В случае болезни Крона несколько предыдущих исследований выявили конкретный участок хромосомы 16, который, вероятно, связан с этим заболеванием. Ген NOD2 локализован в подходящем месте, поэтому ученые решили исследовать его. Они обнаружили, что у людей с определенным вариантом гена NOD2 в три раза чаще развивается болезнь Крона[38]. Если провести аналогию с военными действиями, можно вспомнить операцию «морских котиков» по ликвидации Усамы бен Ладена. Исходя из разведданных, правительство США подозревало, что лидер террористов жил в трехэтажном доме на окраине города Абботтабада в Пакистане. Соединенные Штаты начали оперативное нападение на предполагаемую территорию в надежде на то, что бен Ладен действительно находился там. В этом случае результат подтвердил их гипотезу.
Если изучение кандидатных генов похоже на точечные военные удары, то еще один распространенный подход к выявлению соответствующих генов – полногеномные исследования ассоциаций – можно сравнить с ковровой бомбардировкой Дрездена. Они основываются на данных ДНК-чипа, который может быстро и дешево предоставлять информацию о генотипе для нескольких сотен тысяч разных ОНП – тех самых участков генома, различие по которым между людьми заключается в одном нуклеотиде. Для полногеномных исследований ассоциаций ученые собирают информацию о геномах людей с такими заболеваниями, как болезнь Крона, и здоровых индивидуумов. Затем они сравнивают все ОНП представителей обеих групп. После «бомбардировки» всех статистически возможных ассоциаций генетики ищут «в обломках» предмет своего интереса. Исследования не зависят от каких-либо предварительных знаний или гипотез о том, какие гены могут быть связаны, например, с болезнью Крона. С помощью непосредственной статистической обработки числовых данных ученые определяют, какие из сотен тысяч ОНП больше распространены среди людей с этим состоянием, чем среди остальных. В случае болезни Крона выявили более 70 разных ОНП, каждый из которых может помочь предсказать это заболевание[39]. Полногеномный поиск ассоциаций обеспечивает непрерывный поток данных. Он используется для выявления генетических вариантов для всех видов состояний – начиная со светлых волос и заканчивая раком предстательной железы. По завершении этого этапа ученые стараются обнаружить в новых выборках ранее выявленные ОНП. Учитывая, что этот метод основан исключительно на статистике, а не на теории, часто оказывается, что многие из ОНП, отмеченных в первоначальном полногеномном поиске ассоциаций, появились в результате случайности. После нескольких таких тестирований должен возникнуть набор ОНП, на основании которого ученые могли бы сделать обоснованный вывод, что эти варианты играют определенную роль в развитии какого-либо состояния. Поведенческая генетика, таким образом, обычно опирается на исследования близнецов и приемных детей. Затем ученые обращаются к исследованию ассоциаций генов, чтобы определить, какие конкретные гены на это влияют.
Экспонаты Музея медицинской истории Мюттера в Филадельфии – зрелище не для слабонервных. В тускло освещенных стеклянных шкафах содержится коллекция ужасающих искореженных человеческих тел и органов. Вот перед вами непомерно огромная толстая кишка длиной почти 3 м, вот восковые муляжи черепов с рогами, вот посмертный слепок сиамских близнецов Чанга и Энга. Но только спустившись по темной лестнице в подвал, посетители видят одну из самых удивительных достопримечательностей музея – скелет Гарри Истлака. Он зловеще висит, как привидение, в углу. По мере приближения вы понимаете: этот скелет не похож ни на какие другие человеческие останки. Он скручен и искривлен, отдельные кости сливаются вместе, образуя оболочку, похожую на панцирь черепахи.
Первый признак того, что в жизни Истлака что-то пошло не так, появился в возрасте четырех лет. Тогда мальчик сломал бедренную кость, играя со своей сестрой. Перелом долго не срастался, и вскоре колено и бедро Гарри начали твердеть. При осмотре врачи с удивлением обнаружили костные образования в мышцах бедер, которые они попытались удалить хирургическим путем. Но кость выросла еще толще, чем прежде. Несколько лет спустя Гарри случайно ударился ягодицами о радиатор, и новое костное образование начало формироваться на месте синяка. С этого момента жизнь Истлака превратилась в бесконечную череду бесполезных операций. Врачи действовали скорее как садовники: они тщетно пытались удалить костные отложения, но в результате те росли с удвоенной силой, подобно клубку сорняков. К 25 годам позвонки несчастного больного слились воедино, так как мышцы спины заменили кости, а шея осталась навсегда повернутой в сторону. Дыхание было затруднено, поскольку легкие не могли полностью расширяться. А когда и челюсти окаменели, Истлак утратил способность самостоятельно есть и говорил только сквозь стиснутые зубы. За шесть дней до своего 40-летия Гарри Истлак умер от дыхательной недостаточности, вызванной осложнениями бронхиальной пневмонии[40].
Подобные трагические медицинские случаи показывают, насколько безжалостно и жестоко гены могут определять нашу жизнь. Несчастье Гарри Истлака связано с редким заболеванием – фибродисплазией оссифицирующей прогрессирующей (ФОП). Оно обманывало тело, заставляя кости вырастать там, где должны были восстанавливаться поврежденные ткани, например от порезов или синяков. Гарри не повезло родиться с единственным адениновым (А) нуклеотидом вместо гуанинового (G). Причем в совершенно определенном месте – в кодоне 206-рецептора активина А типа 1 (ACVR1), который расположен в хромосоме 2[41]. Таким образом, его ужасную болезнь спровоцировала всего лишь одна «опечатка» в геноме из 6 млрд «букв». Если его геном записать на бумаге, он был бы длиной примерно 800 библий, и единственный символ в неправильном месте – звучит как самая тривиальная ошибка – превратил Истлака в живую статую, неспособную двигаться, говорить и, в конечном счете, дышать.
Трудно не стать фаталистами, размышляя над подобными случаями. Мы все рождаемся с первичными мутациями – генетическими ошибками, которых не было у наших родителей. В среднем у каждого несколько десятков таких «опечаток». Единственное, что отличает ошибки в наших генах от трагедии Истлака, – их расположение в геномах. К счастью, у большинства эти погрешности почти не влияют на здоровье. Тем не менее менделевских заболеваний[42] (таких, как ФОП), то есть нарушений, вызванных экспрессией единичного гена, не одна тысяча. И хотя каждая отдельная болезнь обычно встречается очень редко (для ФОП вероятность составляет 1: 2 000 000), в совокупности эти небольшие, но смертельные дефекты являются причиной около 1 % обращений взрослых людей в медицинские учреждения во всем мире[43]. Ввиду этого момент зачатия напоминает игру в русскую рулетку: мы получаем набор генов, который может нас убить или нет.
При менделевских заболеваниях генотип (например, единственная мутация в геноме Истлака) явно и прямо определяет определенный фенотип (заболевание). Здесь причина и следствие совершенно ясны. Такое генетическое влияние легко понять и изучить (ген просто обусловливает заболевание), но страшно даже думать о его возможных последствиях. Мы считаем, что гены контролируют фенотип, действуя как переключатели. У Истлака мутация «включила» ФОП, поэтому у него не могло не развиться заболевание. У большинства людей ФОП остается «выключенной», поэтому им не нужно беспокоиться о том, что их скелет срастется в единое целое, как это произошло с Истлаком. Многие другие менделевские заболевания работают примерно так же: если у вас генетический переключатель «включает» такие состояния, как болезнь Гентингтона или кистозный фиброз, вы почти наверняка заболеете, а если они «выключены» – нет[44]. Концепция переключателей позволяет наиболее простым и прямым образом связывать генетические причины со следствиями. Но она также чаще всего приводит к заблуждениям.
В действительности гены по-разному влияют на нас. На одном пугающем конце спектра – Гарри Истлак и сильная обусловленность генами. На другом – то, что Эрик Туркхеймер называет слабым генетическим влиянием[45]. В этом случае фенотип (предположим, разведется ли тот или иной человек) связан с генотипом (у однояйцевых близнецов показатели разводов более схожие, чем у разнояйцевых), но здесь причинная связь вовсе не такая прямая и очевидная. Многие гены (иногда тысячи) работают сообща, и каждый из них вносит свой вклад в вероятность развития того или иного фенотипа. И все эти гены воздействуют на фенотип лишь при производстве белков. Поэтому он также зависит от окружающей среды, личного опыта и эпигенетического влияния родителей. Таким образом, почти бесконечное число взаимосвязей между обширной сетью генов и множеством разновидностей опыта приводит к появлению сложных качеств, таких как интеллект, риск развития депрессии, покупательские привычки и политические взгляды.
В отличие от менделевских заболеваний, в этих случаях лежащие в основе этих признаков биологические механизмы еще не поняты до конца даже генетиками и, вполне возможно, никогда не будут. Гены совершенно точно лежат в основе сложных признаков: как правило, эти черты так же наследуются, как и любые другие, но влияние каждого конкретного гена неизмеримо мало.
Для подавляющего большинства человеческих состояний в рамках полногеномного исследования ассоциаций накоплено достаточно данных, чтобы выявить определенную закономерность. На ее основе ученые сформулировали так называемый четвертый закон поведенческой генетики: «Типичные поведенческие признаки человека ассоциированы с очень многими генетическими вариантами, на каждый из которых приходится крайне малый процент поведенческой изменчивости»[46]. Журналист Дэвид Доббс предложил более емкий термин – «множество различных генов с ничтожным влиянием» (англ. MAGOTS – many assorted genes of tiny significance)[47].
При рассмотрении слабых генетических влияний нужно прибегнуть к тому, что я называю теорией сети. Здесь ключевую роль играет сложная система взаимодействий между генетическими, эпигенетическими и экологическими факторами, которые в конечном счете формируют наш фенотип. Каждое из многих воздействий в сети подталкивает нас к развитию в определенном направлении, но ни одно из них не приводит к чему-либо напрямую, как в случае с теорией переключателей. Таким образом, некоторые аспекты вашего генома могут слегка тянуть вас в одну сторону, но тот факт, что в младенчестве вы кормились материнским молоком, отбрасывает в другую. Отношения с лучшим другом заставляют двигаться в еще одном направлении, как и только появившаяся страсть к французским сырам. И в итоге вы представляете собой результат всех воздействий в своей жизни. Если придерживаться концепции сети, то фенотип не предопределен. Можно изменить свое место в этой структуре, перемещаться по ней в различных направлениях по мере взросления. Сеть бывает наклонена в одну сторону, благодаря чему двигаться в одном направлении легче, чем в других. Но в конечном счете нет какой-то одной силы, определяющей ваше местоположение. Система может оказывать сопротивление, но по-прежнему предоставляет свободу действий.
Сквозь призму концепции сети нужно рассмотреть еще один признак – рост. Почему у каждого из нас именно такой рост? Возьмем для примера историю Магси Богза, самого низкого игрока в истории НБА. Если этот баскетболист вытянется так высоко, насколько сможет, то едва достигнет отметки 160 см. В 1988 году Богз выступал за Washington Bullets, его часто ставили в пару с Мануте Болом. При росте 231 см Мануте второй по высоте баскетболист, когда-либо игравший в НБА. Почему же Мануте Бол настолько выше Магси Богза? Это довольно легкий вопрос: нужно просто посмотреть на их родителей. Рост отца Богза 168 см, а матери – всего 150 см. Отец же Бола смотрел на мир с высоты 203 см, а мать – впечатляющих 208 см. Совершенно очевидно, что Бол унаследовал от родителей гены гораздо более высокого роста, чем Богз, и это как нельзя лучше объясняет ошеломляющую разницу. Как уже говорилось, рост принадлежит к одному из наиболее наследуемых признаков и передается потомкам с вероятностью примерно 80–90 %[48]. Значит, если разница между 5 % самых высоких и самых низких жителей какой-либо территории составляет около 28 см, то примерно 25 см из них объясняются генетически, а оставшиеся 3 см обусловлены влиянием окружающей среды[49].
Но объяснить, почему Бол настолько выше Богза, будет значительно труднее, если попытаться определить, какие именно гены отвечают за эту разницу. Гены очень сильно влияют на рост, но ни один из них не вносит большого вклада: единственный ген, сильнее всего связанный с ростом, добавляет лишь полсантиметра его носителям[50]. Недавнее полногеномное исследование ассоциаций выявило все ОНП, имеющие отношение к росту. Их оказалось 294 831! Это удручающе огромное количество генетических вариантов – в 12 раз больше общего количества генов в нашем геноме. Как выразился по этому поводу генетик Дэвид Гольдштейн, «большинство наших генов – это гены роста»[51]. Еще хуже то, что все эти многочисленные варианты, взятые вместе, объясняют менее чем на половину изменчивость человеческого роста[52]. То есть если вы хотите генетически сконструировать высокого ребенка, придется провести почти 300 тысяч генетических изменений в зародыше, и это будет лишь полдела. Если данные исследования указывают на то, что за рост ответственны почти все гены, то мы не стали ближе к пониманию генетической природы этого признака ни на йоту. Ирония в том, что вклад генов в рост заметен куда лучше, если просто собрать в одной комнате семьи Бола и Богза, чем если изучать их геномы с помощью передовых технологий.
Сложность здесь кроется как минимум в том, что рост – это развивающийся признак, который взаимодействует с окружающей средой по мере нашего взросления. Ваш рост во взрослом возрасте не прописан непосредственно в вашем геноме. Скорее, совокупность генов определяет, как ваш организм будет реагировать на изменения окружающей среды, влияющие на рост. Следовательно, на самом деле мы переоцениваем вклад генов в рост, полагаясь на исследования на близнецах и приемных детях (согласно этим исследованиям, генетические и экологические факторы не связаны). Но поскольку гены и окружающая среда могут взаимодействовать и эти взаимоотношения тесно переплетаются с генетическими прогнозами, то последние бывают преувеличены[53]. Кроме того, оценки наследуемости почти всегда основаны на изучении людей, живущих в одной культуре, то есть разделяющих большую часть окружающей среды. Поэтому они не принимают во внимание разницу между культурами, которая иногда бывает ярко выраженной. Таким образом, прогноз наследуемости абсолютно не учитывает культурные факторы, влияющие на фенотип. В результате вклад генов в тот или иной признак переоценивается. Это становится очевидным, когда мы от сравнения роста двух людей из одной культуры, таких как Богз и Бол, переходим к сопоставлению средних показателей этого признака у представителей двух разных стран, например Нидерландов и Японии.
Получив степень бакалавра, я несколько лет работал младшим учителем английского языка в средней школе в маленьком городке префектуры Нагасаки в Японии, который, как это ни странно, назывался Обама. Это было чудесное время! Там впервые в жизни я почувствовал себя высоким. Мой рост около 173 см, что примерно на 5 см меньше среднестатистического показателя для мужчин Северной Америки. Поэтому я привык быть ниже других. В Обаме же я оказался одним из самых высоких, и сам город казался построенным в уменьшенном масштабе. Я постоянно ударялся головой о дверной косяк при входе в свою квартиру. Дети просили меня показать слэм-данк в баскетболе. В обувном магазине и вовсе сказали, что такого большого размера просто-напросто нет. Супер! Особенно по сравнению с моим опытом проживания в Нидерландах, где мне довелось работать с несколькими психологами. Голландцы – одни из самых высоких в мире. Этот печальный для меня факт стал совершенно очевидным, как только я увидел свою первую голландскую студентку. Девушка была примерно на 10 см выше меня. Средний рост голландских мужчин на сегодняшний день равен 185 см – почти на 8 см выше среднестатистического американца. Ввиду того что гены так сильно влияют на этот признак, следует предположить, что у жителей Нидерландов больше «генов роста», чем у американцев. Но причины, стоящие за разницей в среднем росте между разными нациями, гораздо сложнее. И поиск неуловимых голландских «генов роста» мало к чему может привести[54].
Для начала нужно выяснить: была ли разница в росте между голландцами и американцами постоянной на протяжении истории? Нет. В 1865 году рост среднестатистического американца 172,5 см, то есть примерно на 7,5 см больше, чем рядового голландца (165 см)[55]. Так что генетики, изучавшие причины разницы в росте в 1865 году, могли бы заключить, что у американцев больше «генов роста», чем у голландцев. Похоже, скачок роста в Нидерландах следует отнести на счет изменений в образе жизни. В конце XIX века Штаты были третьими по ВНП на душу населения, а американцы – одними из самых высоких в мире. В тот же период Нидерланды переживали глубокий экономический спад. По мере восстановления страны средний рост населения увеличивался соответственно. Более высокий доход означает более качественное питание, и в течение периодов устойчивого экономического развития люди вероятнее получат необходимые элементы для ключевых скачков роста в младенчестве и подростковом возрасте. Один из ярких примеров тесной связи между финансовым благополучием и ростом: рост японских детей, живших в Калифорнии в 1957 году, был почти на 13 см выше роста их ровесников в Японии[56]. Любопытно, что, пока остальной мир с экономическим развитием вытягивается ввысь, средний рост американцев остается неизменным последние несколько десятилетий, хотя среднегодовой доход в этот период постоянно увеличивался. Одним из объяснений служит огромное количество фастфуда, потребляемого жителями США. В результате они стали расти не ввысь, а вширь, увеличиваясь в талии[57].
Один из аспектов диеты особенно тесно связан с ростом. Это потребление молочных продуктов. Американцы, которые в детстве и в подростковом возрасте пили много молока, были примерно на сантиметр выше тех, кто не помнил, чтобы в детстве употреблял много этого напитка (с учетом других переменных, таких как раса, доход и образование)[58]. У голландцев один из самых высоких показателей потребления молока в мире. В целом существует сильная положительная корреляция между годовым потреблением молока в стране и средним ростом ее жителей[59]. За последние несколько десятилетий Япония пережила национальный скачок роста, увеличившегося примерно на 10 см[60]. К сожалению, это практически лишило меня преимущества, которым я когда-то пользовался среди японцев. В значительной мере этот скачок объясняется увеличением потребления молока в рамках Национальной программы школьных обедов[61], введенной в 1956 году, хотя потребление молока в Японии по-прежнему составляет менее одной четверти от голландского уровня.
Помимо этого, влияние молока на рост варьируется в зависимости от времени года: люди, как и растения, растут весной и летом больше, чем осенью и зимой. Похоже, что эти сезонные вариации связаны с поступающим от солнца ультрафиолетовым излучением, которое запускает синтез витамина D3. К тому же в летние месяцы он содержится в молоке в большей концентрации. Все эти факторы способствуют росту[62].
Таким образом, разрыв в росте нельзя объяснить исключительно разницей в генах. Влияние культурных различий на средний рост тоже существенно, и оно перевешивает оценку воздействия окружающей среды на рост, полученную при исследованиях близнецов и приемных детей в рамках одной культуры. Не следует забывать о том, что в последнем случае окружающая среда объясняет лишь 3 см разницы в росте между самыми высокими и самыми низкими 5 % населения. Тем не менее, переехав из Японии в Америку в 1950-х годах, японцы стали выше почти на 13 см. Это подводит нас к одному важному, хотя и парадоксальному открытию. Даже если гены отвечают за большую часть индивидуальных различий в каком-либо признаке, например в росте, в пределах одной популяции, групповые различия между популяциями необязательно связаны с теми же самыми генами. Например, цвет кожи варьируется по всему миру, причем темные оттенки – как и гены, связанные с более темной кожей, – чаще встречаются в районах ближе к экватору[63]. Тем не менее, если сравнить цвет кожи людей европейского происхождения, проживающих в пасмурном Сиэтле и в солнечном Лос-Анджелесе, вероятнее всего, первые окажутся бледнее вторых. Эта разница возникла бы, даже если бы предки этих двух групп имели общий генофонд. Различие в среднем оттенке кожи между уроженцами Сиэтла и Лос-Анджелеса обусловлено разным количеством солнечных дней в году. Но разница в цвете кожи среди людей, проживающих в Сиэтле, будет связана главным образом с генетическим разнообразием. Несмотря на то что гены ответственны за индивидуальные вариации в цвете кожи, отсюда не следует, что изменчивость этого признака между популяциями обусловлена тоже только ими.
Таким образом, рост – наиболее простой и яркий пример слабого генетического влияния, и единственный способ в этом разобраться – теория сети. Хотя рост сильно зависит от генов, они не работают как переключатели, поворот которых приводит к определенному количеству сантиметров. Рост – скорее результат постоянного взаимодействия многих генов, на проявление которых по мере вашего развития влияет окружающая среда. Сложность генетики роста дискредитирует простые теории, трактующие гены как обычные переключатели.
Конечно, попытки понять настолько сложную систему, как генетика роста, могут отбить всякое желание разбираться в этой теме дальше. И здесь мы упираемся в проблему. Люди могут быть образцовыми мыслителями, если у них прочная мотивация и они чувствуют в себе силы разобраться в вопросе. Обычно в таких ситуациях они засучивают рукава, впитывают информацию до тех пор, пока не поймут ее до конца, а затем делают тщательно продуманный и взвешенный вывод. Другое дело, когда у кого-либо недостает мотивации, например при прочтении нового законопроекта, не затрагивающего его лично, или когда этот человек чувствует, что не сможет полностью разобраться в сложном вопросе. В таких случаях люди начинают вести себя крайне любопытно: обращают внимание на вещи, которые не имеют никакого отношения к качеству информации. Они легко согласятся с утверждением, если оно исходит от кого-то привлекательного или обладателя громкого звания. Поверят любой информации, представленной в самом начале диалога, или просто эффектной реплике, засевшей в голове. Если проблема слишком сложная, то мы стараемся беречь свои познавательные ресурсы и выдаем такое суждение, которое кажется «достаточно хорошим»[64]. И становимся теми, кого психологи называют когнитивными скрягами. Мышление требует усилий, особенно когда речь идет о сложных проблемах. Поэтому мы идем кратчайшим путем – пользуемся так называемой эвристикой. И эти экономные способы принятия решений, как нам кажется, вполне работают.
Например, оценивая частоту события, мы исходим из того, насколько много примеров можем вспомнить без особого напряжения. Это называется эвристикой доступности. Если нужно оценить шансы умереть от нападения акулы или коровы, мы начинаем сравнивать количество инцидентов, о которых слышали. Поскольку смертоносные нападения акул считаются заслуживающими особого внимания, о них больше упоминаний в прессе, чем о смертельных столкновениях с коровами. Поэтому большинство с легкостью вспомнит много примеров, когда человека убила акула, а не корова. Помимо этого, оценивая соотношение нападений акул и коров, мы попадаем в ловушку так называемой репрезентативной эвристики. Иначе говоря, оказываемся под влиянием того, насколько хорошо то или иное событие вписывается в нашу картину мира. Некоторые идеи просто легче себе представить, потому что у людей есть определенные ожидания и стереотипы, направляющие их мышление. Если речь заходит об акулах, в сознании автоматически возникает образ безжалостных машин для убийства. Мы с легкостью можем представить, как такое существо разрывает на части одинокого пловца или серфера. Но при мысли о коровах воображение, как правило, рисует неуклюжих, пасущихся на лугу животных – нежных созданий, способных разве что жевать траву. Атаковать людей явно не репрезентативное